Назаров А.Г., Петрова Н.П., Алексеев А.А, Попов Н.С.

 

Научные основы создания информационно-аналитической системы  природопользования и охраны окружающей среды на примере

Тамбовской области Центрально-черноземного региона

 

С каждым годом возрастает роль информационного мониторинга и менеджмента в развитии хозяйства нашей страны. Особую актуальность информационный менеджмент приобретает в сфере территориальной экологии, где приходится собирать и анализировать огромные массивы разнородной информации, а по результатам анализа принимать управленческие решения в масштабе городов и регионов. В итоге эффективность поиска решений многочисленных экологических проблем сегодня напрямую зависит от возможностей существующих информационно-аналитических систем – способов их организации, быстродействия, удобства работы пользователей и других характеристик. По этой причине создание и развитие Государственной системы экологического мониторинга и менеджмента на территории Российской Федерации выдвигается на одно из первых мест среди других проблем, связанных с охраной природной среды и рациональным природопользованием.

Разработка методов глобального, регионального и локального мониторинга относится к числу фундаментальных научных исследований, объявленных в 1988г. в Программе биосферных и экологических исследований АН СССР на период до 2015г. [1]. В соответствии со статьями 7,9 и 10 Закона Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды» Правительство РФ приняло постановление № 1229 от 24.11.93г. «О создании Единой государственной системы экологического мониторинга».

В ходе работы над Программой возникло научное направление, развивающее теорию, методы и технологии информационного обеспечения и автоматизации биосферных исследований в целях рационального природопользования и охраны окружающей среды, именуемое геоэкоинформатикой [2, 3]. В ее задачи входит и создание методов визуализации геоэкологических данных, основанных на использовании электронных географических карт. Эти методы составляют основу компьютерных технологий работы с геоинформационными системами (ГИС). Их сущностью является сбор, хранение, выборка, анализ и отображение данных при разработке кадастров природных ресурсов, решении задач территориального управления, мониторинга окружающей среды, геоэкологического прогноза, выявления и картографирования зон экологического риска и многих других.

В работе [4] отмечено, что в настоящее время нет разработанной в полной мере концепции комплексного экомониторинга, четкого определения применимости и приоритетности санитарно-гигиенических и экологических оценок, отсутствуют методические основы комплексного системного подхода к мониторингу и критериям анализа фактического состояния системы.

Противопоставить что-либо такому мнению весьма сложно, поскольку в каждой конкретной задаче информационного менеджмента требуются свои принципы, оценки и методики, слабо содействующие созданию универсальных и комплексных концепций.

Существуют два принципиально различных подхода к проектированию информационно-аналитических систем (ИАС) природопользования и охраны окружающей среды. В первом из них система создается на основе известных типов территориальных объектов (рек озер, воздушного бассейна, техногенной среды) и связей действующих между ними [5]. Такие ИАС включают информацию двух типов: административно-справочную и экспериментально-мониторинговую. Хотя сбор информации в них может быть организован на систематической основе, однако нет гарантий, что состав, количество и качество имеющихся данных будут достаточны для решения возникающих задач природопользования. Последовательность действий при проектировании ИАС на основе такого подхода представлена на рис.1.

 

 

Рис.1. Основные этапы проектирования ИАС под «объект».

 

Другой возможный подход к проектированию ИАС полностью ориентирован на постановку и решение конкретных задач информационного менеджмента. Это могут быть задачи управления транспортными потоками в городе, мониторинга воздушного или водного бассейнов, выбора мест строительства автозаправочных станций и т.д. При этом сбор данных организуется не под «объект», как в первом варианте, а под «задачу». Другими словами сбор геоэкологической информации во втором подходе не является самодостаточным, а необходимым условием достижения цели, выраженной в формализованной постановке задачи.

С появлением ГИС-технологий у разработчиков появилась возможность объединения указанных подходов за счет использования многолистной структуры базы данных, в основе которой лежит лист рельефа местности. Над ним последовательно надстраиваются листы почв, растительности, водных объектов, коммуникаций, застроек и т.д. В таком варианте проектирования ИАС разработчики начинают создавать базу данных для конкретной задачи экологического менеджмента, параллельно включая в нее и информацию любого другого характера, связанную с экологическими проблемами интересуемой территории. При этом важное практическое значение могут иметь семантические модели межлистных транзакций, с помощью которых пользователям удается получать новую для них информацию о состоянии прородопользования и охраны окружающей среды.

Итак, в первом подходе к проектированию ИАС нельзя не отметить очевидную его простоту и доступность. Иное дело, когда ИАС необходимо создавать под конкретную задачу. В этом случае приходится планировать не только сбор данных, но и моделирование объектов природопользования, производство расчетов, хранение результатов и многое другое.

Целью данной работы является описание общей методологии информационного менеджмента в сфере территориальной экологии и показ отдельных результатов создания ИАС мониторинга загрязнений воздушного бассейна гамбова, полученных на ее основе.

В качестве любого объекта информационного менеджмента будем рассматривать природо-промышленную систему, структурная схема которой изображена на рис.2.

Подпись:  ,Подпись:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 2. Структурная схема ППС.

 

Природо-промышленной системой (ППС) назовем множество объектов отраслей промышленного (сельскохозяйственного) производства и объектов природной среды, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру рассматриваемого региона, упорядоченно взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов.

Смысл обозначений расшифруем следующим образом:  – промышленная подсистема (ПП);  – экологическая подсистема (ЭП);  – множество внешних воздействий  (сырье, энергия, финансы и т.д.);  – множество внешних воздействий  (солнечное излучение, тепловая энергия, влага, примеси и т.д.); – множество входных воздействий  (целевые и побочные продукты производства);  – множество выходных воздействий  (биологические виды, влага, энергия и т.д.);  – множество выходных воздействий ПП, одновременно являющихся входными воздействиями  для ЭП (все виды примесей);  – множество выходных воздействий ЭП, являющихся входными воздействиями  для ПП (полезные ископаемые, вода, газы атмосферы, биологические виды и т.п.).

Промышленной подсистемой  назовем любой уровень организации химического производства – от типовых процессов и локальных систем управления ими, до всего производственного комплекса с его инфраструктурой и органами административного контроля и управления. представим в виде отношения на декартовом произведении

 

                             .                                      (1)

Экологической подсистемой назовем любой уровень организации природной среды – от элементарных процессов взаимодействия биологических объектов с физической средой, до структуры всего природного комплекса, содержащегося в ППС. Экологическую подсистему  представим по аналогии с (1) в виде

.                                            (2)

Тогда всю систему в целом - , представим как отношение на декартовом произведении:

,                                            (3)

 

определяемое по формуле ,                                             (4)

 

для  и  заданных в виде (1) и (2).

Заметим, что ° и  означают операции замыкания прямой и обратной связи соответственно.

Типовые процессы промышленной технологии подсистемы  формализуем как физико-химическую систему (ФХС), а процессы «природной» технологии подсистемы  как биологическую систему. Тогда, допуская возможным функциональное описание указанных подсистем, полную модель  будем рассматривать в виде

 

;    ;

;    ;

;    .

где ,  и  - неизвестные операторы, оцениваемые по результатам проведения теоретических, экспериментальных, имитационных, топологических или иных исследований. Полный состав переменных модели (5) приведем ниже.

Система базовых принципов информационного менеджмента природо-промышленных систем включает:

-                        принцип комплексного исследования рассматриваемой экологической проблемы на расширенном пространстве переменных состояния ППС;

-                        принцип приоритета экологических закономерностей ППС перед технико-экономическими, на этапе формализации природоохранных задач;

-                        принцип погружения задач проектирования, реконструкции и нормального функционирования промышленных производств в более широкий класс задач оптимального управления ППС;

-                        принцип поиска оптимальных решений в условиях неопределенности – на множестве альтернативных целей и состояний функционирования ППС;

-                        принцип обеспечения гарантированной экологической безопасности управленческих решений, принимаемых на короткие и длительные отрезки времени;

-                        принцип циклической воспроизводимости состояний экосистем в контрольные моменты времени.

Общая методология информационного менеджмента ППС включает 5 этапов: концептуализации, спецификации, отображения, анализа и реализации (см. рис.3).

Научную основу работы с ППС составляет теория химических реакторов, гарантирующая единство взглядов на моделирование процессов взаимодействия биофизико - химической природы и обладающая достаточным арсеналом практических методов их исследования. В этой связи введем понятие «Экологического реактора», под которым понимается термодинамически открытая, саморегулируемая система, образованная из биотопа, биоценоза и природных источников энергии, предназначенная для синтеза биологических видов в количествах и соотношениях, определяемых сложившимися на длительном интервале времени условиями ее функционирования. Экореактор характеризуется конкретными пространственно - временными границами, конечным числом контактов с внешней средой, известными механизмами взаимодействий живых организмов и химических веществ, а также известной гидродинамической структурой материально - энергетических потоков, существующих между интересуемыми точками его входов и выходов [6].

Переходя к возможным постановкам задач информационного менеджмента ППС отметим, что они имеют ряд отличий от известных задач в технике и технологии. Основными особенностями, выделяющими их в особый класс, являются следующие.

1.                      В природных процессах случайные факторы играют несоизмеримо большую роль, чем в процессах, происходящих в промышленных системах.


Рис.3. Пять этапов информационного менеджмента ППС: концептуализация, спецификация, отображение, анализ и реализация

 

Из этого следует, что математическое описание ППС должно, по всей видимости, включать в себя детерминированную часть (модель промышленной подсистемы) и стохастическую часть (модель экологической подсистемы). Модель экологической подсистемы может представлять собой либо совокупность стохастических операторов, либо операторов, определенных на вероятностных пространствах. Использование детерминированных операторов для описания природных процессов лишь в редких случаях можно считать приемлемым для решения задач управления.

2.                         В постановках задач информационного менеджмента ППС, как правило, должны использоваться вероятностные условия и ограничения на параметры экологической подсистемы, что не характерно для постановок задач управления технологическими системами.

3.                         Существенной особенностью задач информационного менеджмента ППС являются сезонные изменения в экологической подсистеме, не имеющие аналога в задачах управления промышленным производством. Эта особенность приводит к необходимости  постановки вероятностных циклических задач управления, целью которых является отыскание оптимальных циклических режимов, обеспечивающих стабилизацию циклического изменения вероятностных законов распределения параметров природы.

Сформулируем простейшую задачу информационного менеджмента ППС. Будем считать, что математическая модель, адекватно отображающая процессы в ППС может быть представлена в виде аналогичном (5), где Uэ,  - соответственно управляемые и наблюдаемые входные переменные в ; , Uп, - управляемые и наблюдаемые входные переменные в ;  - соответственно (выходные) абиотические и биотические переменные в ;   - выходные переменные в ;,  - выходные абиотические и биотические переменные в , воздействующие на . Будем считать, что случайные составляющие  и  в данной задаче отсутствуют, а переменные , , , , , , , ,  принадлежат к конечномерным евклидовым пространствам соответственно Uэ, , Uп, , , , , , , .

Будем также полагать, что для любого  задана система планово-технологических требований, которую в общем виде можно представить так:

 

,                                                         (6)

,                                                                  (7)

где  и  екторные функции; выражение (6) представляет собой ограничения на качество, объем выпуска продукции и технико-экономические показатели производства; выражение (7) – санитарно-экологические ограничения на выброс технологических отходов.

Будем также считать заданной систему ограничений и условий на экологические показатели:

,                                                              (8)

где Н векторная функция. Очевидно, что в общем случае эта система зависит от входных условий .

Пусть Q – целевая функция, определяемая отображением:

Uп  ,                                                           (9)

 

где  - множество, в общем случае частично упорядоченное отношением «».

Наконец будем полагать, что управляющие воздействия  и  принадлежат некоторым замкнутым областям управления

 

 Uп ,                                                            (10)

 

 Uэ ,                                                              (11)

зависящим, в общем случае, от входных возмущений  и  соответственно.

При этих обозначениях задача формулируется следующим образом. Для заданных  и  найти такие управления

 

  Uп и   ,

при которых выполняются выражения (6) - (8), условия (5) и для всех  и , при которых выполняются (6) - (8), оказывается

                    (12)

Эта простейшая задача информационного менеджмента ППС отличается от известных задач оптимизации производственных систем наличием ограничений на экологические переменные (8), более сложным видом математической модели (5), целевой функции (9), наличием дополнительного вектора  управляющих воздействий на экологическую подсистему.

Разработанная методология информационного менеджмента ППС была использована для решения различных практических задач. Одной из них стала задача создания ИАС мониторинга воздушного бассейна г. Тамбова, выполнявшаяся на основании постановления администрации Тамбовской области «О территориальной системе экологического мониторинга Тамбовской области», N 529 от 29.08.97г.

Задача создания ИАС формулировалась следующим образом: определить

 структуру и состав программно – технического комплекса, удовлетворяющего по своим параметрам условиям решения предполагаемых целевых задач мониторинга по объему и качеству исходной информации, скорости ее обработки и удобству отображения результатов пользователям, с учетом минимизации затрат на его создание и эксплуатацию. Общий план работ по созданию ИАС представлен на рис.4.

 

 

Рис. 4.   Состав и порядок учета элементов проекта ИАС.

 

Последовательность этапов работы над проектом создания ИАС показана на рис.5.

 


Рис. 5. Организация работ по созданию ИАС.

 


 

 

Архитектурные особенности информационно-аналитической системы экологического мониторинга отображены на рис.6. Информация баз данных условно разделена на несколько групп:

-                        оперативные базы данных содержат информацию, поступающую с источников натурных измерений объектов ППС. Эта информация поступает в режиме реального времени и требует соответствующих способов хранения и обработки;

-                        условно-постоянные базы данных общего назначения (нормативные документы, характеристики примеси, технологические особенности производств и т.д.);

-                        условно-постоянные атрибутивные базы данных содержат информацию, привязанную к системе координат карты (например источники выбросов);

-                         базы данных картографической информации содержат электронные карты местности различной целевой принадлежности.

 

В первичном варианте базы данных прямого доступа геоэкологической, метеорологической, хозяйственной и др. информации содержали 5 тыс. записей, а источников загрязнения г. Тамбова примерно 1000 единиц. В последующих работах объемы информации были увеличены в 3 раза.

 

 

Рис. 6. Структура ИАС.

 

По результатам технико – экономического анализа современных программных средств хранения и отображения геоэкологических данных были выбраны программы Geo Graf / Geo Draw в качестве платформы для решения задач информационного менеджмента. Поскольку решение задач мониторинга и менеджмента реализуется в двух режимах: разделения времени и реального времени, были разработаны структуры ИАС соответствующие указанным вариантам их работы (см. рис. 7 а).

Одна из центральных задач менеджмента ППС связана с расчетом норм предельно - допустимых выбросов (ПДВ). Как известно, эта задача решается на периодической основе для всех городов РФ. При этом используются данные инвентаризации промышленных источников загрязнения атмосферы, значения выбросов примесей от автотранспорта, фоновые концентрации вредных веществ и метеоданные, характерные для рассматриваемой территории. Расчеты концентрационных полей примесей из источников выбросов проводятся по типовой методике ОНД –86 [7], с использованием программ типа «Эколог ПДВ».

 

а) ИАС в режиме «off-line»

б) ИАС в режиме «on-line»

 

Рис. 7 a, б. Конфигурация ИАС мониторинга и менеджмента ППС.

 

Так как в городах работают десятки промышленных предприятий, а расчеты норм ПДВ они производят в различное время, руководству городского и областного отделов по нормированию выбросов крайне сложно использовать имеющуюся в различных форматах информацию при разработке средозащитных мероприятий общегородского масштаба. Работа «зависает» из-за необходимости постоянного обновления баз данных, отсутствия централизованных служб экологического планирования и т.д. Разработанная ИАС мониторинга и менеджмента ППС позволяет, например, решать задачу расчета норм ПДВ в следующей формальной постановке.

Пусть известны координаты источников выбросов, их объемные расходы  и концентрации  -го вещества в -м источнике, , . Тогда действующие мощности выбросов можно найти из выражения  .

Если обозначить  тоимость затрат на реализацию средозащитных мероприятий, позволяющих снизить  до значения , тогда задачу расчета ПДВ сформулируем следующим образом. Определить такие значения

,                                              (13)

при которых выполняются плановые задания предприятий - источников вредных выбросов на выпуск продукции

,                                                            (14)

состоятельны модели прогноза поведения примесей в приземном слое воздуха

                         (15)

для любого j-го загрязняющего вещества удовлетворяются санитарно- гигиенические ограничения вида

,                                     (16)

и на совместное действие вредных веществ в атмосфере

,                      (17)

а также выполняются параметрические ограничения:

,                                 (18)

где  - норматив ПДВ для –го вещества в  -м источнике;  -концентрация -й примеси в произвольной  точке приземного слоя воздуха с координатами , прогнозируемая от -го источника по модели  ;  -соответственно длина и ширина территории, занимаемой ППС; -набор климатологических параметров ППС;  -совокупность технологических переменных, характеризующих условия истечения примесей из -го источника; ,  -соответственно значение ПДК и фоновой концентрации  -й примеси; выбросов по мере возрастания расстояния от него;   ножество индексов веществ, образующих  -ю кумулятивную группу;  - мощность множества  .

Фрагменты результатов решения задачи (13) – (18) приведены на рис. 8 и 9. Качественные различия между ними состоят в том, что на рис. 8 поле концентрации примеси показано до «нормализации» мощности источников, а на рис. 9 – после расчета норм ПДВ. На рис. 10 показана панель отображения результатов расчета с диаграммой распределения концентраций в долях ПДК.

Примером объединения двух возможных подходов к проектированию ИАС (о которых было сказано в самом начале), стало заполнение исходной (целевой) базы данных результатами анализов концентрации тяжелых металлов, обнаруженных на территории г. Тамбова и информацией, отражающей уровень заболеваемости в различных районах города. При этом появилась новая дополнительная возможность – «проекции» рассеяния металлосодержащих примесей из промышленных источников на «очаговые» загрязнения почвы и зоны высокой заболеваемости населения в целях определения причин их возникновения.

Подводя итоги работы по созданию научных основ организации систем информационного мониторинга и менеджмента ППС можно признать высокую эффективность предложенной методологии и целесообразность ее использования в работах Главных управлений Минприроды  РФ.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.    Проект концепции программы биосферных и экологических исследований АН СССР на период до 2015г. // Вест. АН СССР. 1988, №11, с.5-16.

2.    Воронов В.В. Геоэкоинформатика в системе экологических исследований. Там же, с.73-76.

3.    Экоинформатика. Теория. Практика. Методы и системы. // Под ред. В.И. Соколова. С-Перербург: Гидрометеоиздат, 520 с.

4.    Воронов С.И. Методологический подход к созданию системы комплексного мониторинга на территории Московской области. // Экологические системы и приборы. 1991, №1, с.8-11.

5.    Galliani G., Lanzi E A Date Base for Environmental Management. In: Env. Syst. Anal. And Manag. Ed. By S. Rinaldi. North-Holland Publ. Comp. IFIP, 1982, pp. 737-753.

6.    Мищенко С.В., Попов Н.С. Ноосферология и экологическое образование в современной высшей школе. Материалы конференции «В.И. Вернадский: ноосферология и образование». – М.: Издом «Ноосфера», 2002. – с.53-55.

7.    Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ в выбросах предприятий. ОНД – 86. Госкомгидромет. Л: Гидрометеоиздат, 1987.